基于运动控制器的激光冲击强化数控系统开发

　　近年来,随着工业PC 机性能的快速发展,可靠性大为提高,而价格却大幅度降低,以工业PC 机为核心的控制系统已广泛被工业控制领域所接受。在机床控制领域,采用工业PC 机,在流行的操作系统下发展通用的数控系统,已成为数控技术发展的最新潮流[1]。

　　激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，它是利用强脉冲激光导致的高强度应力波冲击金属表面，使材料表层产生塑性应变，从而提高金属材料表面的强度、硬度等机械性能，并获得表面残余压应力状态（如图1所示）。目前，该技术的应用领域已不仅仅局限于强化航空用铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金等材料，还拓展到航天、汽车、医学等领域。为了提高激光冲击强化技术的自动化程度，开发一套基于运动控制器的激光冲击强化数控系统。

1 数控系统的硬件结构

　　1.1 Galil运动控制器

　　在计算机数控系统中,起着关键作用的组成部分是其中的计算机数字控制装置和伺服系统,系统的计算速度、实时性、伺服更新速度、资源管理能力、数字通信、精密控制、微量进给等性能都取决于这两个部分。尤其是计算机数控装置,也就是运动控制单元,更是数控系统的核心单元模块,数控系统的性能、精度一定程度上依赖于运动控制单元的快速控制能力,由它可完成数控系统中实时性要求比较高的插补、位置控制、开关量I/ O 控制任务,实现CNC系统中多轴联动的插补计算、位置控制等功能,使用这样的运动模块并辅助以其他的设备部件,可以方便灵活地构建应用于不同场合的运动控制系统[2]。

　　PCI总线DMC-1842运动控制器是美国GALIL公司产品，采用32位微处理器，可控制1～4轴，其本身具有多轴直线插补、圆弧插补、轮廓控制、电子齿轮和电子凸轮（ECAM）等功能，板上有2M Flash 可擦写存储器及2M RAM，可存储用户程序、数量、数组和控制程序，并可脱机运行。

　　DMC1842控制器主要性能：

　　▲ 接收12MHz伺服编码器反馈信号，2MHz步进电机命令（脉冲+方向）。

　　▲ 带速度及加速度前馈、积分限制、Notch及低通滤波器的PID。采样周期62.5μs/轴

　　▲ 运动方式：JOG，PTP定位，轮廓，直线、圆弧插补，电子齿轮，ECAM

　　▲ 2M非易失存储器: 存储应用程序，变量, 阵列;2M RAM

　　▲ 每轴正、反向限位及回零输入

　　▲ 通用I/O：8/8

　　▲ 高速位置锁存及比较（0.1μs）

　　▲ 无刷伺服电机正弦波换向控制

　　▲ 上电自动程序运行

　　另外，配套的WSDK软件工具用于伺服性能自动调整和分析，ActiveX控件用于VB编程，扩展DLL文件用于C/C++高级应用编程，使得开发和应用变得方便。

　　1.2 机械本体结构概述

　　数控系统的机械本体采用龙门式结构[3]，共有四个传动轴，分别为X轴、Y轴、Z轴和R轴。X轴、Y轴和Z轴通过伺服电机连接丝杠驱动，可以实现三轴联动，其行程分别为800mm、600mm和400mm.。转轴由伺服电机经减速器减速来驱动，可连续运动，承重10kg。工作台面为一水池，水作为冲击强化的约束介质。在实际工作中，可以利用转台装夹工件（如叶片）通过工作台运动实现不同部位的强化，也可以通过运动轴上的反射镜实现光斑的移动，从而实现双工作方式。

　　1.3 控制系统硬件结构

　　该激光冲击强化数控系统采用工业PC机为基础，在工控机主板上的PCI扩展槽插上DMC1842多轴运动控制器，形成该系统的控制中心。工控机上的 CPU与运动控制器上的CPU构成主从式双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能，其中DMC1842主要完成机床四轴的运动控制和相关开关量的输入输出控制。工控机则实现整个系统的管理功能。数控系统的硬件框图如图3所示。其中，PICM2900互联模块将控制器电缆转换成插线端子方式。

2 软件开发

　　系统采用Visual Basic语言与Galil卡自身的语言综合开发。其中，VB主要用于界面设计、初始化及参数设置、指令转换以及和运动控制卡的通讯[4]。整个系统能实现的功能主要有：ISO标准G指令编程、圆弧与直线插补、运动路径的演示、故障监控与显示以及各个坐标值的实时显示等。

　　两种语言的合理运用，使得编程变得简单。例如，X轴以JOG方式运动，用两个按钮分别控制该轴启动与停止。相应的初始化完成后，程序如下：

　　Private Sub Command1_Click（） ’X轴启动

　　Command1.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "JG10000;"

　　DMCShell1.Command = "BGX"

　　End Sub

　　Private Sub Command2_Click（） ’停止运动

　　Command2.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "STX"

　　End Sub

3 结论

　　本文提出的系统控制方案中，由于采用了基于工业PC机的控制平台，并结合了Galil运动控制器良好的控制性能，使系统具有较强的开放性和可扩充性，人机界面友好。系统硬件具有较强的稳定性、实时性，可靠性好，运行速度快，控制精度高。